基于MaxEnt和GIS的云南禿杉潛在分布區(qū)預(yù)測

羅開華，付小勇，周 曉

(1.云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院營林分院，云南 昆明 650021；2.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224；3.云南省林業(yè)科學(xué)院，云南 昆明 650201)

基于MaxEnt和GIS的云南禿杉潛在分布區(qū)預(yù)測

羅開華1，付小勇2，周 曉3

(1.云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院營林分院，云南 昆明 650021；2.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224；3.云南省林業(yè)科學(xué)院，云南 昆明 650201)

為保護云南禿杉種源區(qū)以及為規(guī)劃禿杉人工栽培提供可靠依據(jù)，應(yīng)用MaxEnt模型預(yù)測國家一級保護物種禿杉的潛在分布區(qū)。研究過程中收集了241個禿杉自然分布點和26個環(huán)境因子，預(yù)測準(zhǔn)確性高和結(jié)果可信度強。結(jié)果表明，禿杉在云南省的潛在適生區(qū)面積為 232 013 km2，占國土總面積的48.6%。其中，高適生區(qū)主要分布于怒江州、保山市及德宏州，中適生區(qū)主要分布于文山州、紅河州、臨滄市、普洱市，低適生區(qū)主要分布于昆明市、曲靖市、昭通市。禿杉現(xiàn)有自然分布區(qū)都位于高適生區(qū)，中適生區(qū)雖然沒有自然分布的禿杉林，但適合禿杉生長，是較好的禿杉人工引種區(qū)。

云南禿杉；MaxEnt模型；GIS；適生區(qū)；潛在分布區(qū)

禿杉是云南林產(chǎn)業(yè)主要樹種，隸屬于杉科、臺灣杉屬，別稱香杉、木屠杉，是分布在中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的一種常綠高大喬木，樹高可達70 m，胸徑3 m。其樹皮淡灰褐色，樹冠成錐形大枝平展，小枝下垂。心材紫紅褐色，紋理直，結(jié)構(gòu)細(xì)密、均勻[1]。

禿杉在我國臺灣、貴州、江蘇、江西均有分布，在云南省的怒江、瀾滄江流域的福貢、貢山、騰沖、龍陵、蘭坪、維西、云龍等縣也有分布。禿杉生長迅速，是重要的速生造林樹種，材質(zhì)優(yōu)良；為第三紀(jì)古熱帶植物區(qū)孑遺植物，對研究古植物區(qū)系、古地理及第四紀(jì)冰期氣候和杉科植物的系統(tǒng)發(fā)育都有重要的科學(xué)價值。由于歷史上大量采伐，已導(dǎo)致此樹種瀕臨絕種，現(xiàn)已被列為我國一級保護植物。因此，通過預(yù)測禿杉的潛在適生區(qū)并進行分級評價，對于實施禿杉自然生長區(qū)保護和在適宜區(qū)推廣人工造林具有十分重要的意義。

基于MaxEnt模型預(yù)測物種的潛在分布區(qū)已被廣泛應(yīng)用，它依據(jù)不完全信息做出預(yù)測。該理論認(rèn)為，一個物種在沒有約束的情況下，會盡可能擴散到熵最大，達到最接近它的可能分布狀態(tài)[2]。利用MaxEnt生態(tài)位預(yù)測模型對瀕危物種異地保護及繁育已有一些應(yīng)用，如利用MaxEnt預(yù)測太白米的潛在分布等[3]。研究表明，應(yīng)用MaxEnt模型預(yù)測物種的潛在分布區(qū)能得到很好的結(jié)果[4,5]。

本文通過云南實地調(diào)查和全球生物多樣性信息交換所GBIF數(shù)據(jù)庫檢索相關(guān)數(shù)字標(biāo)本館獲得禿杉現(xiàn)存分布數(shù)據(jù)，結(jié)合分布點的氣候因子提取禿杉的適生環(huán)境，利用MaxEnt生態(tài)位模型預(yù)測禿杉在云南的潛在適生區(qū)并區(qū)劃適生等級，分析影響禿杉分布的主要環(huán)境因子并評價其生長氣候生態(tài)特征。

1 研究區(qū)概況

云南省總面積約39萬 km2，位于北緯21°8′32″～29°15′8″N，東經(jīng)97°31′39″～106°11′47″E。與貴州、四川、西藏、廣西交界，與緬甸、越南、老撾等國接壤。云南省地形地貌復(fù)雜，平均海拔 2 000 m左右；年溫差小，為10～15℃；大部分地區(qū)年降水量在 1 100 mm；地處低緯度高原，復(fù)雜多樣的氣候類型使得森林的地理分布也具有復(fù)雜性。

2 資料來源及處理

2.1 收集整理禿杉分布數(shù)據(jù)

MaxEnt模型通過物種的分布點和對應(yīng)的環(huán)境因子，預(yù)測物種的潛在適生區(qū)。模型包括2類數(shù)據(jù)，即現(xiàn)存禿杉的地理坐標(biāo)點和環(huán)境變量，通過禿杉的分布點和氣候地理因子，綜合分析該物種基礎(chǔ)生態(tài)需求，并利用最大熵預(yù)測物種的潛在分布，能以圖的形式呈現(xiàn)。

通過云南實地調(diào)查和全球生物多樣性信息交換所GBIF數(shù)據(jù)庫檢索，共收集了現(xiàn)存禿杉世界分布點資料241個。禿杉在世界其它國家的分布主要有美國加州的尤里卡城和圣地亞哥市，加拿大的溫哥華市，日本千葉縣鴨川市和靜崗縣下田市，瑞典的斯德哥爾摩，越南老街南部地區(qū)，緬甸克欽邦北部地區(qū)。禿杉在中國的分布點主要有臺灣，江蘇南京市，江西分宜縣，浙江舟山，四川西陽縣，貴州雷山、劍河縣和云南貢山、福貢、騰沖、龍陵、云龍縣。

2.2 環(huán)境數(shù)據(jù)

環(huán)境數(shù)據(jù)主要來自全球氣候數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.Worldclim.org)。從全球氣候數(shù)據(jù)網(wǎng)站下載的氣候數(shù)據(jù)包括19個氣候生態(tài)因子( biol-bio19)、6個單月數(shù)據(jù)和海拔。數(shù)據(jù)的時間跨度為1960—2010年，所有數(shù)據(jù)空間分辨率統(tǒng)一為1 km×1 km。

2.3 數(shù)據(jù)處理

在進行MaxEnt分析時，首先對氣候因子進行運算。參數(shù)設(shè)定采取測試集為分布點的25%，訓(xùn)練集為分布點的75%；在環(huán)境參數(shù)設(shè)置中開啟刀切法(Jackknife)來評價，各環(huán)境因子的權(quán)重采用受試者特征曲線，即ROC曲線分析法評價物種潛在分布預(yù)測模型精度，即利用ROC曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積(AUC)值來判斷模型預(yù)測結(jié)果的精準(zhǔn)度。本研究AUC=0.954。一般認(rèn)為，AUC值為0.5～0.7時診斷價值較低，AUC值0.7～0.9時診斷價值中等，大于0.9時診斷價值較高。AUC值越接近1，說明環(huán)境變量與預(yù)測的物種地理分布之間的相關(guān)性越大，即模型預(yù)測的結(jié)果越準(zhǔn)確[6]。

3 潛在分布區(qū)預(yù)測

3.1 適生區(qū)等級劃分

利用全球241個禿杉發(fā)生點和26個環(huán)境因子，采用MaxEnt軟件對禿杉適生區(qū)進行預(yù)測。MaxEnt模型預(yù)測結(jié)果給出的是禿杉在目標(biāo)預(yù)測地區(qū)的適生性概率p，取值范圍在0～1。在ArcGIS 10.2中加載預(yù)測結(jié)果圖，將結(jié)果柵格圖進行重分類。參照禿杉在世界各地區(qū)生長情況的描述，最終設(shè)定p<0.2為不適生區(qū)，0.2≤p<0.4為低適生區(qū)，0.4≤p<0.6為中適生區(qū)，p≥0.6為高適生區(qū)。云南禿杉適生區(qū)等級分布詳見圖1。

圖1 云南禿杉潛在適生區(qū)預(yù)測等級劃分Fig.1 Classification of potential suitable areas of Taiwania flousiana

利用GIS空間分析模塊，計算出云南省各州(市)不同適生等級的分布面積，得到云南省分州(市)禿杉高適生區(qū)、中適生區(qū)、低適生區(qū)面積表(表1)。結(jié)果表明，禿杉在云南的潛在適生區(qū)面積為 232 013 km2，占總國土面積的48.6%。其中，高適生區(qū)面積為 15 259 km2，中等適生區(qū)面積為 60 408 km2，低適生區(qū)面積為 156 346 km2；高適生區(qū)面積占云南總面積的3. 2%。從現(xiàn)存禿杉分布點圖與預(yù)測的禿杉高適生區(qū)看出，禿杉現(xiàn)存樣點均位于潛在最適宜分布區(qū)。中適生區(qū)占12. 6%，這部分區(qū)域雖然沒有自然分布的禿杉林，但適合禿杉生長，是較好的禿杉人工造林區(qū)。低適生區(qū)也基本符合禿杉生長環(huán)境，占32.7%?；贛axEnt禿杉潛在分布區(qū)的預(yù)測與云南禿杉試栽情況高度一致。

3.2 適生區(qū)分布情況

3.2.1 高適生區(qū)

從云南禿杉預(yù)測結(jié)果可看出，高適生區(qū)主要分布于5個州(市)，分別為怒江州的福貢縣、貢山縣、瀘水縣、蘭坪縣，保山市的騰沖市、龍陵縣、隆陽區(qū)、昌寧縣，大理州的云龍縣、永平縣，德宏州的芒市、盈江縣，臨滄市的耿馬縣、臨翔區(qū)、永德縣。怒江州最適宜區(qū)面積最大，為 6 785 km2，其次是保山市 4 377 km2，德宏州 1 263 km2。

福貢縣、貢山縣、瀘水縣、蘭坪縣、云龍縣禿杉高適生區(qū)地處高黎貢山北段，海拔 2 000～2 600 m地段。年均溫11.8～15.0℃，最冷月均溫4.5～7.5℃，≥10℃年積溫3 240～4 535℃。年降水量 1 246～1 545 mm，11月至次年4月降水300 mm以上，占全年的35%～49%。年均相對濕度79%。該區(qū)屬暖濕帶至北亞熱帶濕潤氣候，森林多為中山半濕潤常綠闊葉林和針闊葉混交林。

騰沖市、龍陵縣、隆陽區(qū)、昌寧縣、盈江縣、芒市禿杉高適生區(qū)地處高黎貢山南段，海拔 1 850～2 300 m，年均溫13.8～17.3℃，最冷月均溫6.4～10.2℃，≥10℃年積溫4 090～6 412℃。年降水量 1 366～2 096 mm，11月至次年4月的降水量為200 mm以上，占全年的8.9%～13.8%。年均相對濕度84%，干、濕季節(jié)明顯。該區(qū)為北亞熱帶至南亞熱帶濕潤氣候類型，森林植被為季風(fēng)常綠闊葉林。

表1 云南各州(市)不同等級適生區(qū)面積

該區(qū)域為陽光充足、降水量多、濕度大的濕潤、半濕潤環(huán)境，雨季(5—10月)降水都在900 mm以上，熱量充足，水熱同季，十分有利于禿杉的生長發(fā)育。

3.2.2 中適生區(qū)

從預(yù)測結(jié)果看出，中適生區(qū)主要分布于文山州各縣，紅河州各縣，普洱市景東縣、鎮(zhèn)沅縣、景谷縣、寧洱縣，曲靖市富源縣、宣威市、陸良縣，玉溪市新平縣、元江縣，大理州劍川縣、洱源縣，迪慶藏族自治州維西縣，麗江市玉龍縣，德宏州隴川縣。其海拔 1 700～2 300 m，年均溫12.8～15.2℃，最冷月均溫4.3～10.5℃，≥10℃年積溫 2 779～5 363 ℃，年降水量 1 200 mm左右，11月至次年4月降水量為全年降水量的20%左右，年均相對濕度75%左右。該區(qū)是人工種植及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展禿杉的較適宜區(qū)。

文山州中等適生區(qū)面積最大，為 9 883 km2，廣泛分布于全州各縣。大理州中適生區(qū)面積第二，為7 063 km2，分布于劍川縣、洱源縣。紅河州中適生區(qū)面積第三，達 6 457 km2，分布于全州各縣。本區(qū)的氣候條件雖沒有自然分布的禿杉林，但熱量較充足，雨量充沛，氣候條件能滿足禿杉生長需求。

3.2.3 低適生區(qū)

低適生區(qū)主要分布于昆明市、曲靖市、昭通市等地。昆明市低適生區(qū)面積為 14 551 km2，占全市國土面積的56.6%；昭通市低適生區(qū)面積 5 464 km2，占19.7%；曲靖市低適生區(qū)為 21 559 km2，占60.6%。昆明低適生區(qū)海拔 2 000～2 250 m，年均溫14.2℃，≥10℃年積溫 3 950 ℃，年降水量994 mm。昭通市低適生區(qū)年均溫13.2℃，絕對最低溫-9.8℃，≥10℃年積溫 3 820 ℃，年降水量970 mm。在曲靖市低適生區(qū)年均溫15.1℃，絕對最低溫-13.5℃，≥10℃年積溫 4 156 ℃，年降水量 1 015 mm。低適生區(qū)存在冬季低溫過低，有時會有冰凌凍害發(fā)生，偶有倒春寒災(zāi)害，并且旱季的3—4月份降水量太少而影響禿杉萌發(fā)等現(xiàn)象，但熱量、雨量等氣候條件能滿足禿杉正常生長要求。

4 結(jié)論

本研究利用MaxEnt生態(tài)位模型對國家保護物種禿杉進行了潛在分布預(yù)測和適宜性評價。結(jié)果表明，禿杉在云南的潛在適生區(qū)面積為232 013 km2，占總國土面積的48.6%。云南禿杉高適生區(qū)主要分布于福貢縣、貢山縣、瀘水縣、蘭坪縣、騰沖市、龍陵縣、隆陽區(qū)、昌寧縣、云龍縣、芒市、盈江縣。中適生區(qū)主要分布于在文山州、紅河州全州各縣、臨滄市、普洱市景東縣、鎮(zhèn)沅縣、景谷縣、寧洱縣，曲靖市富源縣、宣威市、陸良縣，玉溪市的新平縣、元江縣，大理州劍川縣、洱源縣，迪慶藏族自治州維西縣，麗江市玉龍縣。其低適生區(qū)主要分布于昆明市、曲靖市、昭通市等地。

禿杉適生區(qū)的氣候條件主要表現(xiàn)為：適生海拔 1 500～2 700 m，年均溫11.4～16.9℃，最冷月均溫3.6～10.8℃，絕對最低溫-1.3～-8.9℃，≥10℃年積溫 3 079～6 063 ℃，年降水量860～2 300 mm，處于暖溫帶至亞熱帶的氣候環(huán)境。依據(jù)研究結(jié)果，可在預(yù)測的最適生區(qū)規(guī)劃禿杉種源區(qū)或成立自然保護區(qū)，并合理規(guī)劃禿杉引種栽培地區(qū)。禿杉在云南的適生區(qū)研究可以引導(dǎo)禿杉種植到適合地區(qū)，避免人力、物力的和財力的浪費，以提高禿杉的成活率和生長量。

[1] 中國科學(xué)院中國植物志編輯委員會.中國植物志[M].北京：科學(xué)出版社, 2004.

[2] 張海娟,陳勇,黃烈健,等.基于生態(tài)位模型的薇甘菊在中國適生區(qū)的預(yù)測[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011(3):425-430.

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[5] 馬松梅,張明理,張宏祥,等. 利用最大熵模型和規(guī)則集遺傳算法模型預(yù)測孑遺植物裸果木的潛在地理分布及格局[J].植物生態(tài)學(xué)報, 2010，34(11):1327-1335.

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Prediction of the Potential Geographic Distribution ofTaiwaniaFlousianain Yunnan Based on MaxEnt and GIS

LUO Kaihua, FU Xiaoyong, ZHOU Xiao

(1.Forest Management Branch of Yunnan Forest Inventory and Planning Institute, Kunming 650201,China; 2.Southwest Forestry University, Kunming 650224, China; 3.Yunnan Academy of Forestry, Kunming 650201, China)

MaxEnt model was applied to forecast the potential geographic distribution ofTaiwaniaflousiana, a first-class national protected species, to provide reliable evidence for protecting provenance region and planning artificial cultivation ofTaiwaniaflousiana. 241 natural distribution points and 26 environment factors were collected in this research which had highly accurate prediction and authentic results. The research showed that the potential suitable area ofTaiwaniaflousianain yunnan was 232013 km2, accounting for 48.6% of the total land area, among which, the high-level suitable area focused in Nujiang, Baoshan and Dehong, the moderate-level suitable area focused in Wenshan, Honghe, Lincang and Puer, and the low-level suitable area focused in Kunming, Qujin and Zhaotong. At present the natural distribution ofTaiwaniaflousianaall concentrated in high-level suitable area but wasn′t in moderate-level suitable area which was suitable for artificial introduction ofTaiwaniaflousiana.

Taiwaniaflousiana; MaxEnt model; GIS; suitable areas; potential geographic distribution

10.3969/j.issn.1671-3168.2017.04.002

S717；S791.27；P208；TP31

A

1671-3168(2017)04-0007-04

2017-03-01.

羅開華(1977-)，男，云南鎮(zhèn)雄人，工程師，碩士.從事林業(yè)調(diào)查規(guī)劃工作.

周 曉，女，四川瀘州人，碩士，助理研究員.從事遙感與地理信息系統(tǒng)在林業(yè)中的應(yīng)用研究.